CN114624405A - 一种城市河道无人巡航及污染跟踪定位方法 - Google Patents
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Abstract
一种城市河道无人巡航及污染跟踪定位方法，属于无人监测技术领域。它包括以下步骤：步骤1、采用自动寻污船进行巡航，自动寻污船上搭载红外传感器，自动寻污船进入巡航模式，通过红外传感器对河岸进行检测，在河道内采用类方波路径规划来进行污染物搜索；步骤2、自动寻污船进入污染跟踪模式，依据污染物浓度变化率大小，确定污染跟踪方向和污染检测步长，逐步接近污染源，最终确定污染源位置。本发明区别于传统的等步长浓度检测方法，将脱离循环的条件设置为与步长大小有关，步长大小又关联污染物浓度，实现动态的污染跟踪过程，避免了自动寻污船出现原地打转、忽略部分污染源的问题，达到自动巡航、精确跟踪污染物、有效定位污染源的目标。
Description
技术领域
本发明属于无人监测技术领域，具体涉及一种城市河道无人巡航及污染跟踪定位方法。
背景技术
随着我国城市建设的快速发展，城市河道污染问题日趋严重，每天的污水排放量达到为11×108m3。传统的水质监测手段主要依靠定点安装监测设备及人为巡逻两种，前者由于河道支流众多，若是沿河安装监测设备成本过高，后者由于人为巡逻频繁，其乘坐的冲锋舟会对环境造成二次污染。
为解决上述问题，本发明提出一种城市河道无人巡航及污染跟踪定位方法，以自动寻污船为硬件基础，实现自动寻污船的污染跟踪、污染源定位目标，减少河道监测成本与人力成本，同时避免二次污染。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种能够实现自动寻污船的污染跟踪、污染源定位目标的城市河道无人巡航及污染跟踪定位方法。
本发明提供如下技术方案：一种城市河道无人巡航及污染跟踪定位方法，包括以下步骤：
步骤1、采用自动寻污船进行巡航，自动寻污船上搭载红外传感器，自动寻污船进入巡航模式，通过红外传感器对河岸进行检测，在河道内采用类方波路径规划来进行污染物搜索；
步骤2、自动寻污船进入污染跟踪模式，依据污染物浓度变化率大小，确定污染跟踪方向和污染检测步长，逐步接近污染源，最终确定污染源位置。
进一步的，所述步骤1中，当搭载在自动寻污船上的红外传感器检测到河岸为直线时，采用以下路径规划方案：设P点为起始坐标点，P点位于靠近河岸的河水中，自动寻污船从P点开始，沿河岸逆流而上，行驶轨迹平行于河岸线；设河道宽度为d，自动寻污船沿河岸航行d路程之后，向河道中央方向旋转90度，同时考虑河流速度影响，将自动寻污船速度矢量方向保持与河岸线垂直，横向行驶通过河道；当自动寻污船与另一边河道距离达到安全距离时，自动寻污船向河道上游方向旋转90度，行驶轨迹保持与河岸线平行，继续沿河岸航行d路程，不断重复上述操作，直至到达巡航任务终点。
进一步的，所述步骤1中，当搭载在自动寻污船上的红外传感器检测到河岸为曲线时，采用以下路径规划方案：设P点为起始坐标点，P点位于靠近河岸的河水中，自动寻污船从P点开始，沿河岸逆流而上，行驶速度矢量方向始终平行于河岸线对应点位的切线；设河道宽度为d，自动寻污船沿河岸航行d路程之后，向河道中央方向旋转90度，同时考虑河流速度影响，将自动寻污船速度矢量方向保持与河岸线切线垂直，横向行驶通过河道；当自动寻污船与另一边河道距离达到安全距离时，自动寻污船向河道上游方向旋转α度，α为自动寻污船速度矢量与另一边河道切线的夹角，行驶轨迹保持与河岸线切线平行，继续沿河岸航行d路程，不断重复上述操作，直至到达巡航任务终点。
进一步的，所述步骤2中，设步长为r，污染物浓度为c，自动寻污船每前进一个步长检测一次水质，第i次检测水质时的步长为ri，浓度为ci，且巡航模式下的步长为r0，n为自动寻污船航行了n次步长的步数,其包括以下具体步骤：
步骤1，自动寻污船在刚检测到污染物时，若寻污船速度方向与河流速度方向平行则进入步骤2，若寻污船速度方向与河流速度方向垂直则进入步骤3；
步骤2，自动寻污船在第(n-1)步结束后朝远离河岸方向做45度角旋转，然后前进一步，若自动寻污船离河岸距离小于安全距离，则进入步骤5，若cn＞cn-1，则进入步骤4，若cn＜cn-1，则进入步骤6；
步骤3，自动寻污船在第(n-1)步结束后朝河流上游方向做45度角旋转，然后前进一步，判断此时自动寻污船离河岸距离是否小于安全距离，当自动寻污船离河岸距离小于安全距离时，则进入步骤5；当自动寻污船离河岸距离大于安全距离时，若cn＞cn-1，则进入步骤4，若cn＜cn-1，则进入步骤6；
步骤4，自动寻污船前进一步，判断此时自动寻污船与河岸距离是否小于安全距离，当自动寻污船离河岸距离小于安全距离时，则进入步骤5；当自动寻污船离河岸距离大于安全距离时，若满足最小步长条件则进入步骤7，若不满足最小步长条件，且cn＞cn-1时，则再次进入步骤4，若不满足最小步长条件，且cn＜cn-1时，则进入步骤6；
步骤5，自动寻污船朝平行于河流速度方向旋转45度，前进一步，继续前进直至满足最小步长条件进入步骤7；
步骤6，自动寻污船顺时针或者逆时针做45度角旋转，使寻污船速度方向与河流速度方向平行，前进一步，再朝原河岸方向顺时针或者逆时针时针做45度角旋转，进入步骤4；
步骤7，自动寻污船确认污染源位置，停止污染跟踪模式，同时用搭载的GPS记录此时坐标，然后朝河流逆流方向航行一段距离，直至离开该污染源范围，再开启下一轮巡航模式；
进一步的，所述最小步长条件为rn＜rmin，rmin取决于自动寻污船的运动半径，自动寻污船在污染跟踪模式下每前进一步则重新规划一次步长，步长公式如下：
rn＝rn-1(1-0.25log|cn/cn-1-1|+0.25log|cn-1/cn-2-1|)。
通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明区别于传统的等步长浓度检测方法，将脱离循环的条件设置为与步长大小有关，步长大小又关联污染物浓度，实现动态的污染跟踪过程，避免了自动寻污船出现原地打转、忽略部分污染源的问题，达到自动巡航、精确跟踪污染物、有效定位污染源的目标。
附图说明
图1为本发明污染跟踪定位方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
请参阅图1，一种城市河道无人巡航及污染跟踪定位方法，包括以下步骤：
步骤1、采用自动寻污船进行巡航，自动寻污船上搭载红外传感器，自动寻污船进入巡航模式，通过红外传感器对河岸进行检测，在河道内采用类方波路径规划来进行污染物搜索：
情况1，当搭载在自动寻污船上的红外传感器检测到河岸为直线时，考虑以下路径规划方案：假设P点为起始坐标点，P点位于靠近河岸的河水中，自动寻污船从P点开始，沿河岸逆流而上，行驶轨迹平行于河岸线。假设河道宽度为d，自动寻污船沿河岸航行d路程之后，向河道中央方向旋转90度，同时考虑河流速度影响，将自动寻污船速度矢量方向保持与河岸线垂直，横向行驶通过河道。当自动寻污船与另一边河道距离达到安全距离时，自动寻污船向河道上游方向旋转90度，行驶轨迹保持与河岸线平行，继续沿河岸航行d路程，不断重复上述操作，直至到达巡航任务终点。
其中，安全距离为人为界定，本实施例中，安全距离的长度选取为两个船宽。
情况2，当搭载在自动寻污船上的红外传感器检测到河岸为曲线时，考虑以下路径规划方案：假设P点为起始坐标点，P点位于靠近河岸的河水中，自动寻污船从P点开始，沿河岸逆流而上，行驶速度矢量方向始终平行于河岸线对应点位的切线。假设河道宽度为d，自动寻污船沿河岸航行d路程之后，向河道中央方向旋转90度，同时考虑河流速度影响，将自动寻污船速度矢量方向保持与河岸线切线垂直，横向行驶通过河道。当自动寻污船与另一边河道距离达到安全距离时，自动寻污船向河道上游方向旋转α度，α为自动寻污船速度矢量与另一边河道切线的夹角，行驶轨迹保持与河岸线切线平行，继续沿河岸航行d路程，不断重复上述操作，直至到达巡航任务终点。
当自动寻污船巡航过程中检测到水中有污染物时，自动寻污船从巡航模式转入到污染跟踪模式。
步骤2、自动寻污船进入污染跟踪模式，依据污染物浓度变化率大小，确定污染跟踪方向和污染检测步长，逐步接近污染源，最终确定污染源位置。
假设步长为r，污染物浓度为c，自动寻污船每前进一个步长检测一次水质，第i次检测水质时的步长为ri，浓度为ci，且巡航模式下的步长为r0，n为自动寻污船航行了n次步长的步数，也可以是采样次数，每前进一步就采样一次，前进n步就采样n次。
步骤1，自动寻污船在刚检测到污染物时，若寻污船速度方向与河流速度方向平行则进入步骤2，若寻污船速度方向与河流速度方向垂直则进入步骤3。
步骤2，自动寻污船在第(n-1)步结束后朝远离河岸方向做45度角旋转，然后前进一步，若自动寻污船离河岸距离小于安全距离，则进入步骤5，若cn＞cn-1，则进入步骤4，若cn＜cn-1，则进入步骤6。
步骤3，自动寻污船在第(n-1)步结束后朝河流上游方向做45度角旋转，然后前进一步，判断此时自动寻污船离河岸距离是否小于安全距离，当自动寻污船离河岸距离小于安全距离时，则进入步骤5；当自动寻污船离河岸距离大于安全距离时，若cn＞cn-1，则进入步骤4，若cn＜cn-1，则进入步骤6；
步骤4，自动寻污船前进一步，判断此时自动寻污船与河岸距离是否小于安全距离，当自动寻污船离河岸距离小于安全距离时，则进入步骤5；当自动寻污船离河岸距离大于安全距离时，若满足最小步长条件则进入步骤7，若不满足最小步长条件，且cn＞cn-1时，则再次进入步骤4，若不满足最小步长条件，且cn＜cn-1时，则进入步骤6。
步骤5，自动寻污船朝平行于河流速度方向旋转45度，前进一步，继续前进直至满足最小步长条件进入步骤7。
步骤6，自动寻污船朝顺逆时针做45度角旋转，使寻污船速度方向与河流速度方向平行，前进一步，再朝原河岸方向顺逆时针做45度角旋转，进入步骤4。
步骤7，自动寻污船确认污染源位置，停止污染跟踪模式，同时用搭载的GPS记录此时坐标，然后朝河流逆流方向航行20米，再开启下一轮巡航模式。
其中，自动寻污船在污染跟踪模式下每前进一步则重新规划一次步长，步长公式如下：
rn＝rn-1(1-0.25log|cn/cn-1-1|+0.25log|cn-1/cn-2-1|)；
最小步长条件：rn＜rmin，rmin取决于自动寻污船的运动半径。
在具体的实施过程中，污染物种类可人为选取为氨氮含量或总磷含量，也可以选取为pH值或TDS值，根据需求而改变，如果需要同时检测多种污染物，可以安装多个水质检测探头加以处理。在正常巡护过程中，通常选取巡航模式的初始步长为河道横向宽度的1/10，最小步长条件中的rmin一般取初始步长的1/2。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种城市河道无人巡航及污染跟踪定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采用自动寻污船进行巡航，自动寻污船上搭载红外传感器，自动寻污船进入巡航模式，通过红外传感器对河岸进行检测，在河道内采用类方波路径规划来进行污染物搜索；
步骤2、自动寻污船进入污染跟踪模式，依据污染物浓度变化率大小，确定污染跟踪方向和污染检测步长，逐步接近污染源，最终确定污染源位置。
2.根据权利要求1所述的一种城市河道无人巡航及污染跟踪定位方法，其特征在于所述步骤1中，当搭载在自动寻污船上的红外传感器检测到河岸为直线时，采用以下路径规划方案：设P点为起始坐标点，P点位于靠近河岸的河水中，自动寻污船从P点开始，沿河岸逆流而上，行驶轨迹平行于河岸线；设河道宽度为d，自动寻污船沿河岸航行d路程之后，向河道中央方向旋转90度，同时考虑河流速度影响，将自动寻污船速度矢量方向保持与河岸线垂直，横向行驶通过河道；当自动寻污船与另一边河道距离达到安全距离时，自动寻污船向河道上游方向旋转90度，行驶轨迹保持与河岸线平行，继续沿河岸航行d路程，不断重复上述操作，直至到达巡航任务终点。
3.根据权利要求1所述的一种城市河道无人巡航及污染跟踪定位方法，其特征在于所述步骤1中，当搭载在自动寻污船上的红外传感器检测到河岸为曲线时，采用以下路径规划方案：设P点为起始坐标点，P点位于靠近河岸的河水中，自动寻污船从P点开始，沿河岸逆流而上，行驶速度矢量方向始终平行于河岸线对应点位的切线；设河道宽度为d，自动寻污船沿河岸航行d路程之后，向河道中央方向旋转90度，同时考虑河流速度影响，将自动寻污船速度矢量方向保持与河岸线切线垂直，横向行驶通过河道；当自动寻污船与另一边河道距离达到安全距离时，自动寻污船向河道上游方向旋转α度，α为自动寻污船速度矢量与另一边河道切线的夹角，行驶轨迹保持与河岸线切线平行，继续沿河岸航行d路程，不断重复上述操作，直至到达巡航任务终点。
4.根据权利要求1-3任一的所述的一种城市河道无人巡航及污染跟踪定位方法，其特征在于所述步骤2中，设步长为r，污染物浓度为c，自动寻污船每前进一个步长检测一次水质，第i次检测水质时的步长为ri，浓度为ci，且巡航模式下的步长为r0，n为自动寻污船航行了n次步长的步数,其包括以下具体步骤：
步骤1，自动寻污船在刚检测到污染物时，若寻污船速度方向与河流速度方向平行则进入步骤2，若寻污船速度方向与河流速度方向垂直则进入步骤3；
步骤2，自动寻污船在第(n-1)步结束后朝远离河岸方向做45度角旋转，然后前进一步，若自动寻污船离河岸距离小于安全距离，则进入步骤5，若cn＞cn-1，则进入步骤4，若cn＜cn-1，则进入步骤6；
步骤3，自动寻污船在第(n-1)步结束后朝河流上游方向做45度角旋转，然后前进一步，判断此时自动寻污船离河岸距离是否小于安全距离，当自动寻污船离河岸距离小于安全距离时，则进入步骤5；当自动寻污船离河岸距离大于安全距离时，若cn＞cn-1，则进入步骤4，若cn＜cn-1，则进入步骤6；
步骤4，自动寻污船前进一步，判断此时自动寻污船与河岸距离是否小于安全距离，当自动寻污船离河岸距离小于安全距离时，则进入步骤5；当自动寻污船离河岸距离大于安全距离时，若满足最小步长条件则进入步骤7，若不满足最小步长条件，且cn＞cn-1时，则再次进入步骤4，若不满足最小步长条件，且cn＜cn-1时，则进入步骤6；
步骤5，自动寻污船朝平行于河流速度方向旋转45度，前进一步，继续前进直至满足最小步长条件进入步骤7；
步骤6，自动寻污船顺时针或者逆时针做45度角旋转，使寻污船速度方向与河流速度方向平行，前进一步，再朝原河岸方向顺时针或者逆时针时针做45度角旋转，进入步骤4；
步骤7，自动寻污船确认污染源位置，停止污染跟踪模式，同时用搭载的GPS记录此时坐标，然后朝河流逆流方向航行一段距离，直至离开该污染源范围，再开启下一轮巡航模式。
5.根据权利要求4所述的一种城市河道无人巡航及污染跟踪定位方法，其特征在于所述最小步长条件为rn＜rmin，rmin取决于自动寻污船的运动半径，自动寻污船在污染跟踪模式下每前进一步则重新规划一次步长，步长公式如下：
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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